バッテリーの安全保護とは何ですか?

正直に言っておきますが、この業界でこれまでに見られたバッテリー火災のほとんどは、不思議なものではありませんでした。それらは予測可能でした。誰かが 50 ドルを節約するために保護層をスキップしたり、購買担当者が Alibaba で最も安い BMS を選択したり、あるいは-これは想像以上に頻繁に起こります。-フォーク リフトのオペレーターが夏の間、換気のない小屋で一晩中充電したまま放置したりしました。

バッテリーの安全保護は、抽象的な工学概念ではありません。 15,000 ドルのバッテリー パックが 150,000 ドルの保険請求に変わるのを防ぐのは、ハードウェア、ソフトウェア、および設計上の選択の集合体です。あるいはさらに悪いことに。

当社は 10 年以上にわたり、マテリアルハンドリングおよび産業車両用の LiFePO4 パックを構築してきました。この記事は基本的に、私たちが始めたときに誰かに教えてほしかったすべてのことです。-それに、私たちが苦労して学んだ高価な教訓もいくつか加えています。

工業用グレードの角形セルには、堅牢な監視システムが必要です。

LiFePO4 がなぜ保護されるのか、そしてなぜ依然として保護が必要なのか

お客様から常に寄せられる質問は次のとおりです。「リン酸鉄リチウムは安全な化学物質だと思っていました。なぜこれほどの保護具が必要なのですか?」

公平な点。 LiFePO4 は、NCM や NCA よりも真に安全です。カンラン石の結晶構造は、高温になっても酸素を放出しません。つまり、三元化学のように自ら火を燃やすことはありません。私たちは 5 つの異なるサプライヤーのセルに対して釘貫通テストを実施しました。-LiFePO4 セルは通常、約 150 度に達し、そのまま喫煙するだけです。同じテストで NCM セルを使用しますか?私たちは600度以上の実際の炎を見てきました。

しかし、「より安全」というのは「安全」という意味ではありません。 2021 年に -広東省の物流会社-に、LiFePO4 があれば温度監視は必要ないと考えた顧客がいました。 1パックあたり800人民元くらい節約できました。そして8月が来て、倉庫は周囲温度45度に達し、充電システムには熱ディレーティングがなく、最終的に3つのパックが膨張し、1つは実際にガスが抜けた状態になりました。幸いなことに誰も怪我はしませんでした。しかし、彼らは現在、フル機能の BMS を求める最も熱心な顧客です。

実際に火災を引き起こすもの

数多くの現場での失敗 (当社および競合他社の失敗) を見た後、実際に何が問題になっているのかを以下に示します。

問題の 70% は充電で発生します。放電ではなく、蓄電でもありません。-具体的には：

• 低温保護機能なしで 0 度以下で充電すると-。リチウムが適切に挿入されずにアノード上にめっきされる。それが起こっているのは見えません。半年後、内部ショート、熱暴走。私たちはハルビンの顧客にこれを高価な方法で習ってもらいました。
• BMS 電圧測定値がドリフトし、誰も気付かなかったために過充電されました。 3.65V 定格のセルは、サイクルごとに 3.8V に昇圧されます。 3か月間は正常に動作していましたが、ある日突然動作しなくなりました。
• 充電器-BMS 通信障害。充電器はバッテリーの SOC が 50% であると認識しますが、実際には 95% です。ほぼフルパックにフル電流。-。悪い時代。

誰も監視しない細胞のアンバランス。16S パックでは、1 つのセルの容量が他のセルより 50mAh 低い場合、パックよりも先に 100% の SOC に達します。バランスをとらずにサイクリングを続けると、セルは毎回過充電されます。保証のために戻ってきたパックでは、1 つのセルが 3.9V で、残りのセルは 3.5V のままだったことがあります。それは火災が起こるのを待っているということです。

セパレータを損傷する機械的損傷。フォークリフトが物に衝突する。それがまさに現実です。衝撃によってセルの内部が損傷した場合、-外部検査で問題がないように見えても-、遅れて内部ショートが発生する可能性があります。これが、フォークリフト用途にアルミニウムではなくスチール製のケーシングを仕様する理由です。はい、もっと重いです。はい、それだけの価値があります。

アクティブな保護: 問題の発生を防ぐ

業界では、これを「アクティブ」保護と「パッシブ」保護に分けています。アクティブとは、悪いことが起こらないようにすることを意味します。パッシブとは、とにかくダメージが発生した場合のダメージコントロールを意味します。

細胞そのものから始める

当たり前のように聞こえますが、良質なセルを購入してください。私たちは長年にわたり、おそらく 20 社の異なるサプライヤーからのセルをテストしてきました。品質の広がりは本当に衝撃的です。公称仕様は同じでも、乱用テストではまったく異なる動作が行われます。

を評価する場合に何を探すべきか産業用リチウム電池サプライヤー:

• 釘刺しテストのビデオをリクエストしてください。データシート-実際の動画ではありません。正常なセルでは煙が出てヒスノイズが発生します。不良細胞のジェット炎。
• セパレータの仕様を確認してください。セラミック-でコーティングされたセパレータは、熱応力にはるかに優れています。従来のセパレータの不良品により 1 四半期に 3 件の現場故障が発生したため、2019 年にセラミックのみをコーティングしたものに切り替えました。{3}
• 電解質添加剤は重要です。難燃性添加剤、過充電防止添加剤-これはマーケティングではありません。正常に故障するセルと激しく故障するセルの違いです。

現在のセルサプライヤーを認定するために 2 年を費やしました。工場訪問は4回。彼らのQCプロセスを観察しました。退屈な仕事ですが、だからこそ夜は眠れるのです。

BMS はバッテリーの頭脳であり、電圧、電流、温度を監視します。

BMS: すべてを生かし続ける脳

本当のことを言いましょう。-BMS は、15 ドルのシングルチップ ソリューションから、冗長性を備えた 500 ドルのマルチボード システムまでさまざまです。-支払ったものは得られます。

私たちがこれまでに目にした安価な BMS の問題:

• 電圧測定精度は±30mV。 「満充電」と「危険な過充電」の間の 100mV のセルでは、これでは十分ではありません。
• セルバランシングなし、またはパッシブバランシングのみ。 50mA でのパッシブバランス調整では、重大な不均衡を修正するのに文字通り数週間かかります。
• 単一障害点-点--の設計。 1 つの MOSFET が故障すると、パック全体が保護されなくなります。
• 温度センサーがないか、パック全体にセンサーが 1 つあります。 20kWh パック内の温度勾配は簡単に 15 度に達します。センサーひとつでは何もわかりません。

適切な BMS は次のことを行います。

• すべてのセル電圧を個別に監視します。モジュール-レベルではなく、セル-レベルです。
• 意味のある電流でのアクティブバランス (当社のパックでは 1A+ を実行)
• 位置ログを備えた複数の温度センサー
• 実際のクーロンカウントを実行できるほど正確な電流検出
• 協調的な保護のための充電器との通信
• ハードウェアバックアップがメインプロセッサから独立して切断される

ゴミ BMS と適切な BMS のコストの差は、フォークリフト パックで 200 ～ 300 ドルになる可能性があります。荷物の値段は 8 ドル、000+. フォークリフトの値段は 30 ドル、000+. それが置かれている倉庫には価値があります... これがどこに行くのかわかりますか。

お客様から商品選びについてのご相談があった場合リチウム電池メーカー、私たちは彼らに次のように言います：BMSについて尋ねてください。回路図を見せてもらいます。彼らがあなたを見せてくれないなら、立ち去ってください。

充電制御: ほとんどの火災が実際に始まる場所

これについてはすでに述べましたが、繰り返す必要があります。充電は危険です。

適切な充電保護は次のようになります。

温度補正された充電-。0度以下？充電しないでください。または、電流を大幅に下げて充電しないでください。 45度以上？同じ取引です。これはオプションではありません。当社の標準パックは、-10 度未満では充電さえ受け付けません。BMS は単に充電コンタクターを閉じることを拒否します。

補足: 営業担当者に顧客に「-20 度の充電能力」を約束させましたが、エンジニアリング部門はそれが実現しない理由を説明する必要がありました。リチウムメッキはリチウムメッキです。物理学では売上目標は気にしません。

マージンを備えた電圧ベースの終端。-セルの定格が最大 3.65V の場合、3.60V で終了します。はい、おそらく 2 ～ 3% の使用可能な容量が失われます。あなたも爆発しません。良いトレードオフです。

パッシブプロテクション: とにかく問題が発生した場合

ほら、私たちは世界で最高の保護システムを構築できますが、それでも時々失敗することがあります。トラックがバッテリーパックの上を走行します。洪水により電子機器がショートします。誰かがすべての警告を無視し、配達を停止しなければならないため、-30度で充電を強制します。

パッシブ保護は、アクティブ保護が失敗した場合の損害を制限することを目的としています。

遮熱層

セル間、モジュール間、パック外装周囲。目標は熱暴走を止めることではありません-一度熱暴走が始まると、それは続いてしまいます。目標は、伝播を遅らせて対応する時間を確保することです。

モジュールと内壁のエアロゲルブランケットの間にセラミックファイバーシートを組み合わせて使用​​しています。安くはありません。ただし、1 つのセルが故障すると、隣接するセルが臨界温度に達するまでに 30 ～ 60 秒の追加時間がかかります。多くの場合、これは抑制システムが作動するか、パックが切断されて安全に排気されるまでに十分な時間です。

から調達している人にとってLiFePO4 バッテリー ソリューション プロバイダー、遮熱仕様についてお問い合わせください。バリア素材の熱伝導率と耐発火性を教えてもらえない場合、それは危険信号です。

消火活動

価値の高いインストールの場合は、専用の抑制が必要です。-標準的な消火器はリチウム電池ではうまく機能しません-火災は内部で起こり、水では止めることができない自己発熱反応によって引き起こされます-。

私たちはペルフルオロヘキサノン-ベースの薬剤を使用する抑制システムを使用してきました。これらは燃焼を化学的に妨害しながらセルを冷却します。完璧ではありませんが、内部の化学反応で CO2 を噴霧するよりも劇的に優れています。

しかし本当の話、抑圧は最後の手段です。抑制システムが作動した場合、バッテリーはすでに消耗しています。その時点では巻き添え被害を制限しているだけです。決して必要としない方が良いです。

筐体設計

エンクロージャはいくつかのことを行う必要があります。

• あらゆる排気ガスを封じ込め、人から遠ざけてください。
• 機械の酷使に耐える (フォークリフトパックが落ちたり、ぶつかったり、物にぶつかったりする)
• 衝撃後もIP評価を維持
• 通常動作中に熱放散を可能にし、熱イベント中に熱を閉じ込めます。

当社では、すべてのフォークリフト用途に向けて、指示された通気経路を備えたスチール製エンクロージャを仕様化しています。通気経路は重要です-過熱ガスがオペレーターや可燃性物質に向けられるのは避けるべきです。

故障診断: 火災になる前に問題を発見する

これは、本格的なバッテリー システムと安価なバッテリー システムを分ける部分です。

-リアルタイム監視により差し迫った危険を発見します-放電中の電圧低下は何かが短絡していることを意味します。充電中に温度が急上昇する場合は、何か問題があることを意味します。これらには直ちに保護的な対応が必要です。

しかし、重要なのはトレンド分析です。隣のセルよりも常に 5 度高いセルは、内部抵抗が上昇している可能性があります。今日は危険ではありません。 6か月以内になります。優れた BMS は、このデータをログに記録し、傾向にフラグを立てて、倉庫火災時ではなく、定期メンテナンス中に対処できるようにします。

すべてのフリート展開パックに対して毎月データの取得を行っています。{0}私たちは、無視すれば現場での故障となる可能性がある、発生中の欠陥を少なくとも十数回発見しました。 1 つのパックでは、単一セルが 3 か月にわたって 20mV の高さまで変動することが示されました。引っ張って検査したところ、初期段階のセパレータの劣化が見つかりました。-モジュールを交換しましたが、2年経った今でもパックは正常に動作しています。

潜在的な人と話している場合リチウム電池のOEMパートナー、診断機能について尋ねてください。フリート データ レポートのサンプルを参照してください。傾向分析や予知保全データを表示できない場合、BMS はおそらく、最低限の基本的なしきい値監視を行っているだけである可能性があります。-。

規格とその実際の意味

UN38.3、IEC 62619、UL 1973 - これらの認証はどこでも目にすることができます。ここに不快な真実があります。これらの規格に合格するということは、バッテリーが最小要件を満たしていることを意味します。それが良いというわけではありません。

すべての認定を取得している競合他社のパックをテストしましたが、社内で実施する基本的な不正使用テストには不合格でした。-基準は天井ではなく床です。

とはいえ、サプライヤーがこれらの証明書を提示できない場合は、逃げてください。それらは賭け金です。ただし、認証が品質と同等であると考えないでください。

当社の内部テストは標準要件を超えています。温度の下限。より高い現在の虐待。延長された熱サイクル。私たちは、パックが特定のテストに合格するだけでなく、どのように失敗するかを知りたいと考えています。

カスタム構成が必要なお客様向け:{0}}異常な電圧、特定のフォーム ファクタ、独自のシステムとの統合-カスタムリチウム電池メーカーこの種の拡張テストを誰が行うかは、プレミアムの価値があります。認定により、パックがコードを満たしていることがわかります。拡張テストにより、アプリケーションで実際にどのように実行されるかがわかります。

実際におすすめするもの

こうしたことをすべて踏まえた上で、産業用途向けにバッテリーを指定する場合は実際に何をすべきでしょうか?

正直に言うと、この業界は過去 5 年間でかなり良くなりました。私たちが事業を始めたとき、市場に出回っているパックの半分は基本的に時限爆弾でした。現在、ほとんどの本格的なサプライヤーは、かなり安全なシステムを構築しています。しかし、「適度に安全」とはいえ、火災を引き起こすようなコスト削減の余地はまだ残っています。-あなたの仕事は、どのサプライヤーが実際に作業を行っているのか、どのサプライヤーがチェックボックスにチェックを入れているだけなのかを把握することです。

バッテリーの安全性はセクシーなものではありません。それは良いマーケティングにはなりません。バッテリーの熱暴走伝播耐性が優れていたため、誰もフォークリフトを購入しませんでした。

しかし、それを間違えると、他のことはすぐに意味がなくなってしまいます。当社は、安価なシステムでは機能しない条件下でも毎年機能するパックで評判を築いてきました。それは、評価するサプライヤーに求めるべきものです。

質問がありますか?特定のアプリケーションについていつでも喜んでご相談させていただきます。それが私たちがここにいる理由です。